El futuro de la tecnología depende, en gran medida, de nuevos materiales, pero el trabajo de desarrollar esos materiales comienza años antes de que se conozca cualquier aplicación específica para ellos. Stephen Wilson, profesor de materiales en la Facultad de Ingeniería de UC Santa Bárbara,trabaja en ese reino de "mucho antes", buscando crear nuevos materiales que exhiban nuevos estados deseables.
En el artículo "Estado fundamental desordenado cuántico ajustable en campo en el antiferromagnet de red triangular NaYbO 2 , "publicado en la revista Física de la naturaleza , Wilson y sus colegas Leon Balents, del Instituto Kavli de Física Teórica del campus, y Mark Sherwin, profesor del Departamento de Física, describen su descubrimiento de un "estado líquido de espín cuántico" largamente buscado en el material NaYbO 2 óxido de iterbio sódico. El estudio fue dirigido por el estudiante de materiales Mitchell Bordelon y también contó con la participación de los estudiantes de física Chunxiao Liu, Marzieh Kavand y Yuanqi Lyu, y el estudiante de química Lorenzo Posthuma, así como colaboradores del Boston College y del US NationalInstituto de Estándares y Tecnología.
A nivel atómico, los electrones en la estructura reticular de un material se comportan de manera diferente, tanto individual como colectivamente, de los de otro material. Específicamente, el "espín" o momento magnético intrínseco del electrón similar a un imán de barra innato y suLa tendencia a comunicarse y coordinarse con los momentos magnéticos de los electrones cercanos difiere según el material. Se sabe que se producen varios tipos de sistemas de espín y patrones colectivos de ordenación de estos momentos, y los científicos de materiales siempre están buscando otros nuevos, incluidos los que se han hipotetizado peroaún no se ha demostrado que exista.
"Hay ciertos momentos más clásicos que le permiten saber con un alto grado de certeza que el giro apunta en una dirección particular", explicó Wilson. "En esos, los efectos cuánticos son pequeños. Pero hay ciertos momentosdonde los efectos cuánticos son grandes y no se puede orientar con precisión el giro, por lo que hay incertidumbre, lo que llamamos 'fluctuación cuántica' ".
Los estados magnéticos cuánticos son aquellos en los que el magnetismo de un material es impulsado principalmente por tales fluctuaciones cuánticas, generalmente derivadas del principio de incertidumbre, intrínsecos a los momentos magnéticos. "Entonces, usted visualiza un momento magnético, pero el principio de incertidumbre dice que yono se puede orientar perfectamente eso en ninguna dirección ", señaló Wilson.
Explicando el estado líquido de espín cuántico, que se propuso hace mucho tiempo y es el tema de este artículo, Wilson dijo: "En los materiales convencionales, los momentos magnéticos se comunican entre sí y quieren orientarse entre sí para formar algún patrón deorden ". En los materiales clásicos, este orden se ve interrumpido por fluctuaciones térmicas, lo que Wilson describe como" solo calor del medio ambiente ".
"Si el material es lo suficientemente cálido, no es magnético, lo que significa que los momentos están mezclados entre sí", explicó. "Una vez que el material se enfría, los momentos comienzan a comunicarse, de modo que su conexión con unootro supera las fluctuaciones térmicas y forman un estado ordenado. Eso es el magnetismo clásico ".
Pero las cosas son diferentes en el mundo cuántico, y los momentos magnéticos que fluctúan pueden ser en realidad el "estado fundamental" inherente de un material.
"Entonces, puede preguntarse si hay un estado magnético en el que los momentos no se congelen o formen algún patrón de orden de largo alcance entre sí, no por fluctuaciones térmicas, sino por fluctuaciones cuánticas", Wilsondijo. "Las fluctuaciones cuánticas se vuelven más relevantes a medida que un material se enfría, mientras que las fluctuaciones térmicas aumentan a medida que se calienta, por lo que desea encontrar un imán que no se ordene hasta que pueda enfriarlo lo suficiente como para que las fluctuaciones cuánticas lo impidan nunca.ordenar. "
Ese desorden cuántico es deseable porque está asociado con el entrelazamiento, la cualidad de la mecánica cuántica que hace posible codificar información cuántica. Para determinar si NaYbO 2 podría exhibir esa característica, los investigadores tuvieron que determinar el estado intrínseco o fundamental de los momentos magnéticos del material cuando se eliminan todas las fluctuaciones térmicas. En este sistema en particular, Wilson pudo determinar experimentalmente que los momentos magnéticos están intrínsecamente en una fluctuación, estado desordenado, confirmando así que existe un estado cuántico desordenado.
Para encontrar el estado hipotético, dijo Wilson, "Primero tienes que poner momentos altamente magnéticos cuánticos en un material, pero tu material debe construirse de manera que los momentos no quieran ordenar. Lo haces usando el principiode 'frustración magnética' ".
Una forma sencilla de pensar en eso, según Wilson, es imaginar un único triángulo en la estructura de celosía del material. "Digamos que construyo mi material de modo que todos los momentos magnéticos estén ubicados en una celosía triangular",dijo, "y todos hablan entre sí de una manera que los hace querer orientarse antiferromagnéticamente, o antiparalelo, entre sí".
En esa disposición, cualquier momento adyacente en el triángulo quiere orientar antiparalelo a su vecino. Pero debido a que hay un número impar de puntos, tienes uno arriba en un punto y otro abajo antiparalelo al primero en el segundo punto, lo que significa que el tercer momento tiene un momento orientado de manera diferente en cada lado, por lo que no sabe qué hacer. Todos los momentos compiten entre sí.
"Eso es frustración magnética, y resulta que reduce la temperatura a la que los momentos finalmente pueden encontrar algún arreglo en el que todos estén de acuerdo", dijo Wilson. "Así que, por ejemplo, clásicamente, la naturaleza decide que enalguna temperatura, los momentos no coincidentes coinciden en que todos apuntarán a 120 grados entre sí. Por lo tanto, no todos están 100 por ciento felices, pero hay un compromiso que establece un estado ordenado ".
A partir de ahí, agregó, "la idea es tomar una celosía frustrada donde ya se ha suprimido el estado ordenado, y agregarle fluctuaciones cuánticas, que toman el control a medida que enfría el material. La frustración magnética reduce la temperatura de pedido lo suficiente como paraque las fluctuaciones cuánticas eventualmente toman el control y el sistema puede estabilizarse en un estado de espín cuántico fundamentalmente desordenado ".
Wilson continuó: "Ese es el paradigma de lo que la gente está buscando; sin embargo, algunos materiales pueden parecer mostrar este estado cuando en realidad no lo hacen. Por ejemplo, todos los materiales reales tienen desorden, como desorden químico o estructural,y esto también puede evitar que los momentos magnéticos se hablen entre sí de manera efectiva y se vuelvan ordenados. En tal caso, Wilson dice, "Pueden formar un estado desordenado, pero es más un estado desordenado congelado o estático que un estado desordenado.estado cuántico dinámico.
"Entonces, si tengo un sistema magnético que no ordena a las temperaturas más bajas que puedo medir, puede ser complicado tratar de entender si lo que estoy midiendo es un tipo de estado fluctuante líquido de espín cuántico intrínseco o un estado congelado, estado desordenado extrínseco, químicamente impulsado. Eso siempre se debate ".
Uno de los hallazgos más interesantes sobre este nuevo material, dijo Wilson, es que incluso a la temperatura más baja medible, 0,005 grados centígrados por encima del cero absoluto, todavía no se ordena.
"Sin embargo, en este material también podemos aplicar un campo magnético, que rompe esta competencia engendrada por la frustración magnética, y luego podemos conducirlo al orden, induciendo un tipo especial de estado antiferromagnético", agregó. "La razón esEs importante porque este estado especial es muy delicado y una muy buena huella dactilar de la cantidad de desorden químico que hay en el sistema y su influencia en el estado fundamental magnético. El hecho de que podamos conducir este estado impulsado por el campo nos dice que el estado desordenadoque vemos a baja temperatura con cero campo magnético es de hecho un estado intrínsecamente desordenado cuántico, consistente con ser un estado líquido de espín cuántico ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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